نسبية انشتاين

النسبية..
المحاضرة الأولى

العلم دون دين أعرج , والدين دون علم أعمى ألبرت انشتاين

Albert Einstein انشتاين
وهو عالم فيزيائي قضى حياته في محاوله لفهم قوانين الكون . كان انشتاين يسأل الكثير من الأسئلة المتعلقة بالكون ويقوم بعمل التجارب داخل عقله. فقد عاش اينشتاين عبقريا بأجماع كافة علماء عصره وبلغ اسمى درجات المجد العلمية بخلاف العديد من العلماء الذين ماتو ان يحضوا بمتعة النجاح والتألق فمثلا العالم ماندل الذي وضع قوانين الوراثة وكذلك العالم والطبيب ابن النفيس الذي اكتشف الدورة الدموية في جسم الانسان وغيره من الأمثلة أما عبقرية اينشتاين من نوع مختلف فلم يكن احد يفهم شيء عن نظريته النسبية او تطبيقاتها ولكن الجميع اقر بمنطقها فقد جاءت النظرية النسبية الخاصة لتخبر العلماء وتغير مفاهيم الفيزياء المعروفة
في عام 1905 نشر اينشتاين اربعة ابحاث علميه الاولى في تفسير الظاهره الكهروضوئيه والبحث الثاني للحركه الابروانيه للجزيئات والثالث لطبيعة المكان والزمان والرابع لديناميكا حركة الاجسام الفرديه . كان البحثين الاخيرين الاساس للنظريه النسبيه الخاصه والتي نتج عنها معادلة الطاقه:
E=mc2
وبتحويل كتله متناهيه في الصغر امكن الحصول على طاقه هائله (الطاقه النوويه).
في العام 1921 حصل اينشتاين على جائزة نوبل لاكتشاف قانون الظاهره الكهروضوئيه التي حيرت هذه الظاهره علماء عصره بعد ذلك وضع الاسس العلميه للعديد من المجالات الحديثه في الفيزياء هي ((النظريه النسبيه الخاصه ,النظريه النسبيه العامه , ميكانيكا الكم , نظرية المجال الموحد )).

النظرية النسبية Theory of realativity
تعتمد النظرية النسبية لاينشتين على مفهوم محاور الإسناد reference frames ومحور الإسناد ببساطة هو المكان الذي يقوم فيه شخص ما برصد حدث ما هذا الشخص سوف نسميه المراقب observer لأنه يرصد الحدث ويقوم بالقياسات.
النظرية النسبية متمثلة في فرضيتھا الأولى والثانية جاءت غريبة ومخالفة لكل المفاھيم الفيزيائية في ذلك الوقت 1904 وفد رفض العلماء الاعتراف بھا في بادئ الأمر ولكن ھذا الأمر لم يستمر طويلا فقد كانت النظرية النسبية تفسر تجارب علمية لم يتمكن العلماء من تفسيرھا على مدار سنوات طويلة بالاعتماد على الميكانيكا الكلاسيكية مثل تجربة ميكلسون مورلي لقياس سرعة الضوء بالنسبة للأثير فجاءت النظرية النسبية لتقول ان سرعة الضوء لا تتغير وانھ لا يوجد أثير من الأساس علما بان الأثير ھو وسط خيالي بنا عليھ العلماء كل نظرياتھم وتفسيراتھم وتحليلاتھم حول الأشعة الكھرومغناطيسية فاتت النظرية النسبية لتنفي ھذه المزاعم وتفتح آفاقا جديدة .
الفرضية الأولى للنظرية النسبية: تنص على ان قوانين الفيزياء يمكن كتابتها بمعادلات تأخذ نفس الصيغه بالنسبه لجميع المراجع التي تتحرك بسرع ثابته بالنسبه لبعضها الآخر . هذه الفرضيه تعبر عن عدم وجود مرجع كوني متميز.
والتي تعني ان كل قوانين الفيزياء صحيحة لكافة محاور الإسناد. فالقوانين الفيزيائية تساعدنا على فھم
كيف ولماذا تتصرف المتغيرات العديدة التي من حولنا على النحو الذي ھي عليھ. كما إنھا تسمح لنا بان بتوقع حدث معين حسب العلاقة الفيزيائية التي تحكمھا فمثلا لو كان ھناك شخص يتحرك بسرعة معينة في اتجاه الشرق فإننا نستطيع ان نتوقع أين سيكون بعد مرور زمن قدره 20 دقيقة، كذلك لو أردنا بناء سكة حديدية فنعلم من قوانين الفيزياء ان الحديد يتمدد بالحرارة وينكمش بالبرودة ونستطيع حساب مقدار ھذا التمدد بالضبط فتقوم الشركة المنفذة للسكة الحديدية بترك مسافات محددة حتى إذا جاء فصل الصيف وارتفعت درجة الحرارة لأقصى قيمة لھا فان ھذه المسافة كافية لعدم تصادم قضبان السكة الحديدية مع بعضھا البعض، وتم حساب المسافات التي يجب ان تترك بين القضبان الحديدية بناء على قوانين الفيزياء المعروفة.

الفرضية الثانية للنظرية النسبية : النسبية الخاصة تنص على ان سرعة الضوء في الفراغ لها نفس القيمة بالنسبة لجميع المراجع بغض النظر عن سرعتها النسبيه . هذه الفرضية تأتي مباشره من نتائج تجربة مكلسون ومورلي ونتائج تجارب علماء آخرين. والمثال الاتي يوضح ذلك : نفرض سيارة تسير بسرعة 100 وقام شخص بإطلاق رصاصة من مسدس في اتجاه الحركه علما بان سرعة الرصاصة بالنسبة للمسدس 1000 ثم استدار نفس الشخص واطلق رصاصه اخرى في اتجاه معاكس لحركة السيارة فاذا قام شخص على الطريق بحساب سرعة الرصاصه بالحاله الاولى سيجدها 1100 وفي الحالة الثانية يجدها km/h900 . حسب مفهوم اينشتاين لو استبدل المسدس بمصدر ضوئي فان سرعة الضوء تبقى ثابتة مهما كانت سرعة السيارة .
ھذه ھي حقيقة ما يحدث عندما نقوم بقياس سرعة أي جسم متحرك، ولكن الأمر مختلف مع الضوء كما جاء في النظرية النسبية والتي خالفت كل معتقدات العلماء في ذلك الزمن حيث تفترض النظرية النسبية ان سرعة الضوء لا تتغير في كل محاور الإسناد، لنعود لمثالنا السابق ونفترض ان سائق العربة قام بإشعال مصابيح العربة فأضاءت الطريق وھنا ستكون سرعة الضوء الخارج من المصباح بالنسبة لسائق العربة (المراقب الثابت بالنسبة لسرعة الضوء) سوف يقيس سرعة الضوء ب 300,000 كيلو متر في الساعة وھي السرعة المعروفة للضوء في الفراغ. الآن ماذا سيكون قياس سرعة الضوء بالنسبة للمراقب الذي على الطريق ھل ستكون سرعة الضوء ھي 300,050 كيلو متر في الساعة أي سرعة الضوء بالإضافة إلى سرعة العربة نفسھا. الإجابة ھي لا، بل ستبقى سرعة الضوء ھي نفسھا 300,000 كيلومتر في الساعة.
تجربة مايكلسون ومورلي :- تجربة ميكلسون ومورلي هي واحدة من أهم التجارب في حقل الفيزياء قام بها ألبرت مايكلسون وإدوارد مورلي، وتعبر من أول الأدلة القوية المعارضة لنظرية الأثير. تشبه هذه التجربة بسباحين اثنين يسبحان في نهر واحد، وفي حين يسبح أحدهما مع النهر ذهابا وإيابا فإن الآخر يبدأ من نفس النقطة الأولى ويسبح في عرض النهر ذهابا وإيابا ويقطع نفس المسافة التي يقطعها الأول يقطعها هو وفي نفس الوقت ويتضح من قانون جمع السرعات انه لا يمكن أن يعود السابحان في نفس الوقت لان السابح العرضي يصل أولا وهذا هو الأمر بالنسبة للضوء أيضا.
تم إعداد جهاز يقوم على فصل شعاع ضوئي آت من مصدر واحد، وتوجيهه في اتجاهين متعاميدن على أن يكون أحدهما موازياً لمحور دوران الأرض حول الشمس والآخر متعامداً معه. وبهذا الشكل فإن أحد الشعاعين سيستفيد من حركة الأرض فيصير أسرع، أما الثاني فهو متعامد مع حركة الأرض وبالتالي يفترض أن سرعته لن تتغير. بعد ذلك سيعاد دمج الشعاعين مع بعض ويتم إسقاطهما على سطح مقابل، فإذا ما حصل أي تغيير في سرعة أي من الشعاعين فسيؤثر ذلك على شكل الارتسام الخاص بهما على السطح المقابل، ورغم حساسية هذا الجهاز العالية جدا إلا أنه لم يسجل أي فرق بين سرعتي الشعاعين.




سرعة الضوء بالنسبة للاثير C =
سرعة الضوء باتجاه موازيا للارضC_?= C – V?
سرعة الضوء بعكس حركة الارض C_?= C + V?
سرعة الضوء عموديا على الارض C_?=?(C^2- ?V_??^2 )
اذن الزمن الذي تحتاجه الحزمة الموازية لتقطع المسافة :

والزمن الذي تحتاجه الحزمة العمودية لتقطع المسافة :

الفرق بين الزمنين :
……………………. H.W

في هذ التجربة ينعكس الشعاع عدة مرات بوساطة المرايا لتعطي طول مسار فعال l (m 11 ) تقريبا.اذن الانحراف في مسار الضوء :
?d=c (2?t)= (lv^2)/c^2 = 2.2*10-7m
حيث ان v سرعة الارض حول الشمس (3*104 m/s )
اذن وفقا لذلك يجب ان يكون انحراف الهدب للتدوير
= 0.44 Shift = ?d/?
ولكن عمليا لم يتم الحصول على اي انحراف في الاهداب . كانت هذه خيبة أمل لهما إذا بدا وكأن التجربة فشلت أو ضمت خللاً ما، وأهمل ميكلسون هذه التجربة. لكن ويبدو أنه بعد التحقق من سلامة بناء الجهاز ومعاودة التجربة عدة مرات على يد مختلف العلماء، خرجوا بنتيجة مفادها، بأن سرعة الضوء ثابتة بغض النظر عن سرعة المنبع أو أي سرعة مضافة، ولا علاقة لها بسرعة المراقب، فهي ثابتة في كل الأحوال.